地下結構抗浮設計討論

劉發(fā)前

（上海市政工程設計研究總院，上海200092）

1 抗浮措施評述

隨著城市化進程的開展，地下空間開發(fā)越來越受到重視，且規(guī)模也越來越大。高層建筑的多層地下室、地下鐵道及隧道、地下停車場、地下商場、地下倉庫和地下市政設施都面臨著抗浮設計的難題。目前采用的抗浮措施主要有加重法、降截排水法、抗浮錨桿和抗浮樁等[1]，各種方法及聯(lián)合方法均有很多成功案例。加重法的機理比較明確，即通過增加結構尺寸（自重）來增強結構抗浮能力。但是結構自重增加的同時浮力也增加，且有文獻[2]認為抗浮計算時結構自重應乘以0.9的分項系數(shù)，因此該法的效果不佳。降截排水法是通過對地下水的處理降低壓力水頭，從而達到減小浮力的目的。該法效果比較明顯，但降水措施須持續(xù)進行且需經(jīng)常檢修，經(jīng)濟性較差，在修復工程中用得比較多，或作為臨時措施采用?？垢″^桿利用錨桿與砂漿組成的錨固體與巖土層的結合力作為抗浮力，造價低廉、施工方便，是近年應用較多的抗浮措施[3][4]。但是，該法中鋼筋或鋼絞線容易受到腐蝕，勢必限制了抗浮錨桿的應用?？垢斗☉米疃啵c抗浮錨桿作用機理類似，依靠側摩阻力和重力抵抗水浮力。目前對抗浮樁的研究較多[5-7]，應用擴底樁也大大增加了抗拔力并成功應用于諸如上海鐵路南站等多項工程中?？拱螛吨缘玫綇V泛應用，不僅因為其抗浮作用效果較好，而且在非浮力工況下可起到控制調節(jié)結構沉降的作用。另外，在結構下臥層為液化土時，還起到抗液化的作用，保證結構安全。

2 抗浮機理分析

根據(jù)工程特點和地質情況選擇抗浮措施只是抗浮設計的一部分?？垢≡O計的關鍵是準確地確定浮托力，這也是近年來專家學者研究和討論的熱點，主要表現(xiàn)在抗浮設防水位的確定和粘土浮力計算折減問題。理論上說，地下工程的抗浮設防水位，應為工程使用期內工程所處位置的最高水位。文獻[4]對上層滯水、潛水和承壓水分別給出了設防水位的取值，即潛水應取至潛水位或地面；承壓水取承壓水頭；底板穿透潛水層位于隔水層中時，取潛水位并作折減。文獻[2]認為抗浮設防水位最高只為工程地面，這也被工程設計普遍接受，畢竟其簡單易確定，且在多數(shù)情況下是偏于安全的。存在這種簡化的另一個原因是，目前勘察設計報告中一般只給出：（1）勘察期間的水位；（2）歷史最高水位；（3）歷史最低水位；（4）設防水位建議值。這些結果尚遠遠不足于抗浮設計。因此，在條件允許的情況下，應對工程場地的含水層分布、各含水層的水力關系進行詳細勘測，給出更有針對性的結果。

浮力計算上，對于砂土、碎石土和節(jié)理較發(fā)育的巖石地基，按設防水位100%計算浮力[4]是沒有疑議的。粘土地基上浮力與孔隙連通性較好的砂土、碎石相比偏小，亦是目前廣為接受的。但文獻只是簡單說明進行折減，并未從理論上進行解釋，筆者認為不妥，因此斗膽對該問題發(fā)起討論，寄望于尋求問題的本質。文中錯誤之處，請同行專家指正。對于粘土地基上浮力偏小的認識可分為兩派，一派是根據(jù)實測和室內試驗結果發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律，在設計中按照靜水壓力公式計算，并采用系數(shù)進行折減。如文獻[8]通過模型試驗確定結構位于粘土層中的折減系數(shù)取0.7左右，且結構位于粘土層表面和伸入粘土層中差異不大；《巖土工程手冊》和《巖土工程勘察規(guī)范》也采用該種方法。另一派認為地下水浮力不存在折減[9],其主要觀點是粘土中水壓力也可以有效傳遞。李廣信教授在《巖土工程20講——巖壇漫話》第13講中分析了粘土中浮力偏小的原因可能是飽和度和負孔壓的影響。筆者認為，由于土體結構的復雜性，地下水浮力呈現(xiàn)出多樣性是正常的，但簡單地考慮一個折減系數(shù)顯然是比較粗糙的。

李廣信教授在《巖土工程20講——巖壇漫話》第19講中詳細地分析了地下結構底部處于不同土層中時浮力計算的模式，認為當結構底位于粘土層，而粘土層被兩個含水層所夾時，應考慮含水層的水頭差引起的滲流。即浮力計算水頭不應單純考慮某個含水層，而應當采用較高水頭并考慮滲流引起的水頭損失。

浮力計算均以經(jīng)典力學的阿基米德定律為基礎，筆者認為在粘土中浮力計算中也是正確和適用的。阿基米德定律表述為：“浸在液體（氣體）里的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體（氣體）的重力”。究其根本，浮力是液體（氣體）作用于物體各個面上壓力的矢量和，是作用在各個面上的壓力水頭確定的。因此，對于地下結構來說，地下水浮力的大小直接決定于結構底板下的壓力水頭，它是一個綜合量，可能受多個含水層的影響。若單純以某個水位值，按靜水壓力計算浮力顯然與實際情況存在差異，若真實壓力水頭低于該水位值，實測浮力即偏小，存在所謂的“折減”。由此看來，對浮力進行折減或許只是因為底板下的壓力水頭選取不合適，因此可認為抗浮設防水位與粘土浮力折減問題的實質是相同的，即結構底板下的真實壓力水頭的確定。

3 海八路隧道工程抗浮設計

3.1 工程概況

海八路隧道工程位于佛山市南海區(qū)，是連接廣州和佛山的交通咽喉。為了實現(xiàn)海八路上縱橫行使無延遲，將現(xiàn)有海八路改造為下穿隧道。海八路隧道全長1 500 m，其中敞開段長度為170 m(西段)加175 m（東段），采用U型塢式結構；暗埋段為1 155 m，采用單箱雙室的矩形箱涵結構。隧道全線標準段為雙向8車道，部分區(qū)域由于功能需求加寬至雙向10車道。

3.2 工程地質、水文地質

擬建工程位于佛山市南海區(qū)桂城鎮(zhèn)北部的海八路上。根據(jù)鉆孔揭露，該場地區(qū)巖土層按成因可劃分為：（1）人工填筑土層；（2）第四系海陸交互相沖積層；（3）第四系殘積層；（4）白堊系（K）風化基巖4個成因層。土層詳細分布及相關物理力學參數(shù)如表1所列。

表1 土層分布及物理力學參數(shù)表

地下水主要有第四系沖淤積松散層中賦存的孔隙潛水，含水層主要有（3）、（5）層粉細砂層及（7）層中(粗)礫砂層；淤泥、淤泥質土層上部中賦存有上層滯水；基巖裂隙水含水微弱。場地東部及西端，含水層由（3）、（5）層粉細砂層及（7）層中(粗)礫砂層構成，厚度大，屬弱～中等透水，水量較豐富；場地中部含水層由（3）、（5）層粉細砂層構成，厚度薄，水量不豐富。該場地含水層之上覆土層多為極微透水性的淤泥、淤泥質土層及少量的粉質粘土、粉土層，其具有相對隔水作用，故該場地地下水局部具微承壓性。據(jù)部分代表性鉆孔測得地下水埋深為0.95～1.55 m，水位高程1.08～1.51 m。地下水主要靠地下水循環(huán)補給，其次靠大氣降水滲入補給及附近河涌向下滲入補給。地下水對鋼筋混凝土內鋼筋不具腐蝕性，但對外露的鋼結構具有弱腐蝕性。

3.3 抗浮方案選擇

該工程結構設計年限為100 a，結構安全等級為一級，結構大部位于地下水位以下，采用自重抗浮效果較差。由于地下水對于外露鋼筋和鋼結構具有弱腐蝕性，抗浮不能采用錨桿。綜合考慮，為檢修方便并保證結構的安全性，設計采用直徑1 000 mm的鉆孔灌注樁抗浮。

3.4 抗浮樁設計

一般來說，由于暗埋結構上覆土重力可有效抵抗浮力，塢式敞開結構較暗埋結構受到更大的抗浮威脅。本節(jié)即對該工程一遮光段（塢式加橫撐結構）進行抗浮設計計算(其余節(jié)段類似)，其斷面形狀及埋深、地質條件等如圖1所示?？梢?，結構底板位于粉砂層（7）中，粉砂層（7）含水豐富，具有微承壓特性。根據(jù)本文分析，結構浮力應為底板面積與粉砂層水壓之積。但是，詳勘報告中只給出地下水位，并未給出各含水層的壓力水頭和水力聯(lián)系，因而無法按本文推薦方法精確確定浮力值。同時，考慮到工程所在地夏季經(jīng)常發(fā)生持續(xù)強降雨，盡管測得地下水埋深為0.95～1.55 m，設計抗浮水位仍取至地面。

對圖1中遮光段，側墻高度為8.46～9.30 m，底板及側墻厚1.1 m，節(jié)段長度為25 m。

考慮到結構的受力均衡性，抗拔樁數(shù)量及樁長應盡量滿足布置均勻的原則。根據(jù)地質資料，確定抗拔樁長約為13 m，樁底標高控制為-20 m。根據(jù)規(guī)范公式，計算所得單樁抗拔承載力為2 840 kN。

根據(jù)結構尺寸和埋深等參數(shù)，可確定結構自重和浮力，由于計算較簡單，本文不再列出詳細計算公式，只給出計算結果。

結構自重，包括底板、側墻、鋪裝等，總重力為4 3347 kN。

浮力為94 857.5 kN。

根據(jù)規(guī)范要求，“不考慮結構側壁摩阻力，抗浮安全系數(shù)應不小于1.05”。由此確定樁數(shù)為20根，橫向每排5根，共4排，抗浮安全系數(shù)為1.056。

4 結論與建議

4.1 主要結論

（1）抗浮設防水位與粘土中浮力折減問題可歸為一個問題，均是確定結構底板下含水層壓力水頭的問題，壓力水頭的確定應綜合考慮底板附近若干含水層的共同影響，這需要充分的水文勘測資料作支持。

（2）地下水浮力計算同樣滿足阿基米德定律，只是壓力水頭的選取要適合。

4.2 建議

按照本文方法，即精確確定底板下壓力水頭進而確定浮力，顯然能有效降低抗浮措施費用。盡管詳細勘察工程場地的水文條件亦將耗費不少，但對該范圍內的工程均可采用，攤銷費用亦有限。因此，有必要加強對水文地質的勘測，建立健全完整的水文地質系統(tǒng)，優(yōu)化抗浮設計，使得抗浮設計既保證在結構服務期間持續(xù)有效，又能達到經(jīng)濟性最佳效果。

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